rootfs & bootfs & bootloader

文件系统 & bootloader

注：本博客为本人的学习记录，如存在不准确的地方请大家帮忙指出 ，谢谢！

一、文件系统

​ 一个linux系统按启动顺序可以划分为：引导加载程序、内核、文件系统、应用程序。

​ 文件系统可以通俗的理解为管理文件存放位置的管家，不同的操作系统有不同的文件系统。Linux中一般使用EXT2格式的文件系统，（EXT3/EXT4增加了日志功能）是一种索引式（inode）文件系统，不需要像U盘那样经常磁盘重组。resize2fs命令可以变更文件系统大小。dumpe2fs命令可以查询文件系统的状态，包括inode节点和block块的用量情况。

当系统载入一个文件到内存后，如果该文件没有被更动过，则在内存区段的文件数据会被设置为干净（clean） 的。 但如果内存中的文件数据被更改过了 ，此时该内存中的数据会被设置为脏的 （Dirty）。此时所有的动作都还在内存中执 行，并没有写入到磁盘中！ 系统会不定时的将内存中设置为“Dirty”的数据写回磁盘，以保持 磁盘与内存数据的一致性。

$ cat /proc/filesystem可以查看linux系统目前已载入内存中支持的文件系统：

sysfs rootfs ramfs bdev proc cpuset cgroup tmpfs devtmpfs debugfs tracefs securityfs sockfs bpf pipefs devpts ext3 ext2 ext4
等等。

$ df命令列出文件系统的整体磁盘使用量和挂载点信息。

[root@study ~]# df [-ahikHTm] [目录或文件名]
选项与参数：
-a ：列出所有的文件系统，包括系统特有的 /proc 等文件系统；
-k ：以 KBytes 的容量显示各文件系统；
-m ：以 MBytes 的容量显示各文件系统；
-h ：以人们较易阅读的 GBytes, MBytes, KBytes 等格式自行显示；
-H ：以 M=1000K 取代 M=1024K 的进位方式；
-T ：连同该 partition 的 filesystem 名称 （例如 xfs） 也列出；
-i ：不用磁盘容量，而以 inode 的数量来显示

• Filesystem：代表该文件系统是在哪个 partition ，所以列出设备名称；
• 1k-blocks：说明下面的数字单位是 1KB 。可利用 -h 或 -m 来改变容量；
• Used：使用掉的磁盘空间。
• Available：也就是剩下的磁盘空间大小；
• Use%：就是磁盘的使用率。如果使用率高达 90% 以上时， 就要警惕了，要避免容量不足造成系统问题！（例如最容易满的 /var/spool/mail 这个放置邮件的磁盘）；
• Mounted on：就是磁盘挂载的所在目录（挂载点）。

/proc目录下的内容都是 Linux系统所需要载入的系统数据，并且是挂载在“内存当中”的，所以不占磁盘空间。（可用df -a显示全部文件系统看到）

/dev/shm/目录，其实是利用内存虚拟出来的磁盘空间，因此在这个目录下面创建任何数据文件时，存取速度是 非常快速的，通常是总实体内存的一半，这个文件系统的大小在每部主机上都不一样，而且创建的东西在下次开机时就消失了。

$ lsblk列出磁盘分区信息

NAME：是设备的文件名，会省略 /dev 等前导目录

MAJ:MIN：核心认识的设备都是通过这两个代码来熟悉的！分别是主要：次要设备代码

RM：是否为可卸载设备 （removable device），如光盘、USB 磁盘等等

SIZE：容量

RO：是否为只读设备

TYPE：是磁盘 （disk） 、分区 （partition） 还是只读存储器 （rom） 等输出

MOUTPOINT：就是挂载点

[root@ ~]# lsblk [-dfimpt] [device]
选项与参数：
-d ：仅列出磁盘本身，并不会列出该磁盘的分区数据
-f ：同时列出该磁盘内的文件系统名称
-i ：使用 ASCII 的线段输出，不要使用复杂的编码 （再某些环境下很有用）
-m ：同时输出该设备在 /dev 下面的权限数据 （rwx 的数据）
-p ：列出该设备的完整文件名！而不是仅列出最后的名字而已。
-t ：列出该磁盘设备的详细数据，包括磁盘伫列机制、预读写的数据量大小等

VFS（virtual filesystem switch）机制

​ VFS是Linux文件系统实现必须遵循的一种机制，rootfs是一种具体实现的文件系统、Linux下所有文件系统的实现都必须符合VFS的机制(符合VFS的接口) 。linux系统通过VFS的核心功能去读取filesystem，在VFS的管理下，用户不需要知道每个分区中的fs是哪一个。

buildroot构建rootfs

​ Buildroot是一个简单，高效且易于使用的工具，可通过交叉编译生成嵌入式Linux系统，内核映像编译和引导加载程序编译。buildroot是一个开源项目，类似于busybox的一种集成包，其主要功能是提供了交叉编译工具链和rootfs的制作。 使用Buildroot构建基本系统非常简单，通常需要15-30分钟。

核心（kernel）与核心模块

​ 在整个开机的过程中，核心决定了是否能够成功驱动主机的硬件配备，核心一般都是压缩文件（如vmlinuz，是可引导的，压缩的linux内核 ），因此在使用核心之前，需要解压缩后（如vmlinux，是一个包含linux kernel的静态链接的可执行文件，文件类型是linux接受的可执行文件格式之一(ELF、COFF或a.out) ）载入内存当中。

​ 目前的核心都是具有“可读取模块化驱动程序”的功能，即所谓的“ modules （模块化） ”的功能。 该模块可以由硬件开发厂商提供，也可能我们的核心本来就支持，不过较新的硬件通常都需要硬件开发商提供驱动程序模块。

核心与核心模块存放位置：

• 核心： /boot/vmlinuz 或 /boot/vmlinuz-version；
• 核心解压缩所需 RAM Disk： /boot/initramfs （/boot/initramfs-version） ；
• 核心模块： /lib/modules/version/kernel 或 /lib/modules/$（uname -r） /kernel；
• 核心源代码： /usr/src/linux 或 /usr/src/kernels/ （要安装才会有，默认不安装）

​ Linux初始RAM磁盘（initrd）是在系统引导过程中挂载的一个临时根文件系统，用来支持两阶段的引导过程。initrd文件中包含了各种可执行程序和驱动程序，它们可以用来挂载实际的根文件系统，然后再将这个 initrd RAM磁盘卸载，并释放内存。在桌面或服务器Linux 系统中，initrd 是一个临时的文件系统。其生存周期很短，只会用作到真实文件系统的一个桥梁。在没有存储设备的嵌入式系统中，initrd 是永久的根文件系统。

​ 当在新的硬件设备上运行某个不支持的操作系统时，可以尝试重新编译核心，并加入最新的硬件驱动程序源代码，将该硬件的驱动程序编译成为模块，在开机时载入该模块。

• arch ：与硬件平台有关的项目，例如 CPU 的等级等等；
• crypto ：核心所支持的加密的技术，例如 md5 或者是 des 等等；
• drivers ：一些硬件的驱动程序，例如显卡、网卡、PCI 相关硬件等等；
• fs ：核心所支持的 filesystems ，例如 vfat, reiserfs, nfs 等等；
• lib ：一些函数库；
• net ：与网络有关的各项协定数据，还有防火墙模块 （net/ipv4/netfilter/*） 等等；
• sound ：与音效有关的各项模块；

$ lsmod命令可以查看当前核心载入了多少核心模块

二、X86架构的bootloader（注意与ARM架构的区分）

x86架构的机器最好使用Grub作为bootloader。x86架构的CPU在运行bootloader之前先运行一段BIOS中固化的程序（固件，firmware），然后才运行硬盘第一个分区（MBR）。

PC机上电后BIOS会获得处理器的控制权，是一个复杂的系统配置软件，拥有硬件架构的底层信息，接下来就是会到第一个开机设备的 MBR（Main Boot Record 主引导记录区 ）去读取 boot loader ，MBR 是整个硬盘的第一个 sector 内的一个区块（位于整个硬盘的0磁道0柱面1扇区 ），大小只有446 Bytes（在512字节的主引导扇区中，MBR只占用了其中的446个字节，另外的64个字节交给了 DPT（Disk Partition Table硬盘分区表），最后两个字节“55，AA”是分区的结束标志。这个整体构成了硬盘的主引导扇区。）。

开机——>BIOS——>GRUB（或者LILO）——>Linux Kernel

执行流程图和重要函数：

①BIOS启动引导阶段，调用Grub将操作系统内核镜像vmlinuz载入到RAM中。CPU硬件逻辑设计为在加电瞬间强行将CS值置为0XF000，IP为0XFFF0，这样CS:IP就指向0XFFFF0这个位置，这个位置正是BIOS程序的入口地址，BIOS程序被固化在计算机主机板上的一块很小的ROM芯片里 。 当机器上电后，x86架构的CPU主动进入实模式，并从地址0xFFFF0（载入BIOS的地址）开始自主运行程序代码。BIOS首先进行POST（上电后自检），检测系统中的一些关键设备（比如内存和显卡）是否存在是否正常。第二步是枚举本地设备并初始化，物理地址0x0处初始化中断向量。然后BIOS启动第一个扇区，读入内存绝对地址0x7C00处（拷贝到此处的内容就是bootloader），跳转到这个地址并运行。

​ BIOS程序在内存最开始的位置（0x00000）用1KB的内存空间（0x00000 ~ 0x003FF）构建中断向量表，在紧挨着它的位置用256KB的内存空间构建BIOS数据区（0x00400~0x004FF），并在大约57KB以后得位置（0x0e05b）加载了8KB左右的与中断向量表相应的若干中断服务程序。中断向量表有256个中断向量，每个中断向量占4个字节，其中两个字节是CS值，两个字节是IP值。每个中断向量都指向一个具体的中断服务程序。

②bootloader阶段

bootloader的两级启动模式

Stage 1：执行 boot loader 主程序： 第一阶段为执行 boot loader 的主程序，这个主程序必须要被安装在开机区，亦即 MBR 或者是 boot sector 。因为 MBR 实在太小了，所以，MBR 或 boot sector 通常仅安装 boot loader 的最小主程序， 并没有安装 loader 的相关配置文件；

Stage 2：主程序载入配置文件： 第二阶段为通过 boot loader 载入所有配置文件与相关的环境参数文件（包括文件系统定义与主要配置文件 grub.cfg），一般配置文件都在 /boot 下面。

Grub（GRand Unified Bootloader ）

Grub是一个来自GNU项目的多操作系统启动程序，它是一种多启动规范的实现，允许用户在计算机同时拥有多个操作系统。可在操作系统分区上选择不同的内核，也可以向这些内核传递启动参数，用来引导不同操作系统，如windows、linux。

实模式存在的时间非常短，CPU复位或上电时就是以实模式启动，处理器以实模式工作时不能实现权限分级，只能访问16位的地址线，只能寻址1MB内存，所以采用的寻址方式是段地址*16+偏移地址。之后就加载操作系统模块，进入保护模式。

③加载内核从实模式切换到保护模式

当内核映像被加载到内存中（加载过程仍然用int 0x13中断向量)，并且次引导加载程序释放控制权之后，内核阶段就开始了。 这个例程会执行一些基本的硬件设置，并调用 ./arch/x86/boot/compressed/head_32.S 中的 startup_32，设置一个基本的环境（堆栈等），并清除 Block Started by Symbol（BSS）。然后调用一个叫做 decompress_kernel 的 C 函数（在 ./arch/x86/boot/compressed/misc.c 中）来解压内核。当内核被解压到内存中之后，就可以调用它了。

• 进入保护模式
• 设置中断描述附表和全局描述符表
• 创建了内存分页机制

④启动内核

• start_kernel启动内核
• 创建init进程

三、ARM架构的bootloader

​ 与x86架构区分，大部分的嵌入式系统中并没有固件，系统上电或复位后执行的第一段程序就是 bootloader 。ARM架构的CPU从地址0x0000000开始，嵌入式开发板中需要把存储器件ROM或Flash映射到这个地址，bootloader就存放在这个地址开始处，一上电就能执行。（不同架构CPU起始地址可能有差异，比如MIPS结构就是从0xBFC00000取第一条指令）

bootloader的两种操作模式：①启动加载模式；②下载模式；

Stage1:

完成基本的硬件初始化，为加载stage2准备RAM空间（初始化RAM，包括设置 CPU 的控制寄存器参数，以便能正常使用 RAM 以及检测RAM 大小 ），从Flash中拷贝内核映像和文件系统映像到RAM中，设置堆栈指针sp跳到stage2的C入口点。

Stage2:

初始化本阶段要使用到的硬件设备，检测系统的内存映射（检测内存使用量、地址空间。可以根据具体的板子设置），从Flash加载内核和根文件系统映像（可能是未解压的，若内核没有自解压功能，则需要进行解压）读到RAM空间，设置内核的启动参数，调用内核。

1)初始化RAM ： Linux 内核一般都会在 RAM 中运行 。

2)初始化串口端口 :通过串口输出信息是调试 bootloader 和Linux 内核的手段。

3)检测处理器类型 ：Linux 内核在启动过程中会根据该处理器类型调用相应的初始化程序。

4)设置Linux启动参数 ：目前流行通过struct tag（标记列表 ）结构来传递启动参数。

5)调用Linux内核映像

https://blog.csdn.net/u013819957/article/details/49664665 可以参考这篇博文

https://blog.csdn.net/blue_carrot/article/details/50517901

结论

大致了解了x86和arm架构的bootloader加载内核过程，了解了linux的启动过程，bootloader非常依赖于具体的硬件，即使有相同的CPU，外设不同（比如flash），如果知道linux内核中哪些部分与硬件有关，哪些是linux内核内部实现的功能，在移植到不同硬件平台时就比较容易。要进一步了解整个过程，必须结合uboot源码来看。

ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/ uboot源码下载地址

**目录很多，不知从何看起。。。**u-boot是一个流程控制程序，所以就是只关心控制的流动情况即可。

关于如何阅读uboot源码，参考https://www.cnblogs.com/80scd/p/5872425.html